Reproduction de : Thèse de doctorat : Microondes et microtechnologies : Lille 1 : 2006. / N° d'ordre (Lille 1) : 3891. Titre provenant de la page de titre du document numérisé. Bibliogr. à la suite de chaque chapitre.

Thèse de doctorat : Sciences Chimiques : Physico-Chimie de la Matière Condensée' : Bordeaux 1 : 2008. Thèse de doctorat : Sciences Chimiques : Physico-Chimie de la Matière Condensée' : Université Cadi Ayyad, Faculté des Sciences Semlalia, Marrakech, Maroc : 2008. / Titre provenant de l'écran-titre.

Thèse de doctorat : Sciences chimiques. Chimie-physique : Bordeaux 1 : 2009. / Titre provenant de l'écran-titre.

Les propriétés optique des nanoparticules ont ouvert de nouvelles voies dans de nombreux domaines, de l'optique fondamental avec la compréhension des interactions dans la matière, la biologie et la compréhension du fonctionnement des milieux cellulaires, en passant par la microscopie en champ proche, qui permet de sonder localement les propriétés physiques de divers nano-systèmes. Au cours de ce travail, nous avons réalisé l'étude de la génération de seconde harmonique (GSH) de nanoparticules de KTP ainsi que de dimères d'or isolés. Des mesures optiques du rayonnement émis par ces nano-objets montrent qu'ils sont parfaitement photostables. Par ailleurs, nous avons aussi étudié de nouvelles particules actives qui permettent d'obtenir un double signal, de luminescence ainsi que de GSH. Ces nanosources bimodales sont constituées des nanoparticules de KTP dopées avec des ions Europium. Dans une seconde partie, nous tentons de fabriquer des sondes optiques pour le champ proche en utilisant les nanocristaux non-linéaires de KTP, ceci dans le but de développer une nouvelle microscopie optique en champ proche capable de sonder localement et vectoriellement un champ électromagnétique. Une pointe de microscopie à force atomique est fonctionnalisée par une particule d'or, puis approchée d'un nanocristal de KTP. Des résultats préliminaires montrent qu'il est possible par cette méthode de sonder le champ électromagnétique présent autour d'une nanoparticule d'or.

Le but de ce mémoire est de valider la microscopie électro-optique Pockels comme méthode de mesure et de cartographie de champ électrique aux échelles micro et nanométriques. Une première partie est dédiée à la description de l'instrumentation d'imagerie mise en jeu. Nous développons ensuite son application en physique et biophysique. Une étude de couches minces monocristallines de 2-methyl-4-nitroaniline (MNA) a permis de sonder localement la variation de champ électrique appliqué, mais aussi d'étudier l'orientation des axes optiques de ce cristal dans l'espace. A l'échelle sub-longueur d'onde nous avons pu isoler la modulation électro-optique de la diffusion de lumière associée à une nanoparticule isolée de KTiOPO4 (KTP) d'une taille de 150nm. La dépendance polaire du signal Pockels sur la polarisation lumineuse incidente a permis de prédire l'orientation de la maille cristalline du KTP dans l'espace. De telles sondes de champs électriques nanométriques peuvent avoir de nombreuses applications en nano-photonique. Dans le cas d'entité biologiques comme des neurones, la propagation de l'information est assurée par celle d'un champ électrique dans les membranes plasmiques. Dans une première étape, nous nous sommes intéressés à l'étude de bicouches artificielles dopées par un colorant non-linéaire, le DI-8-ANEPPS. Un signal électro-optique Pockels y a été mesuré pour la première fois. La caractérisation de l'insertion du colorant dans la membrane a été aussi discutée. La grande sensibilité à la mesure d'un champ électrique assurée par l'interféromètre permet d'envisager des possibilités d'applications dans des cellules vivantes. Des expériences menées sur des cellules de type PC12 ont montré l'existence d'un signal optique qui est associé à la distribution spatiale du champ électrique. L'ensemble de ces travaux montrent que la microscopie électro-optique s'avère constituer un outil important pour la physique et biophysique.

Dans cette étude, nous avons développé un composé dérivé du NADPH, nommé Nanoshutter (NS). NS a été conçu pour inhiber l'activité catalytique de la NOS, c'est à dire la synthèse de NO, en occupant la place du NADPH dans le domaine réductase du NOS. La voie de synthèse de NO chez les mammifère correspond à l'oxydation de la L-arginine catalysée par la NOS, qui se produit dans son domaine oxygénase. Basée sur des données de modélisation moléculaire, la structure de NS est composée deux sous-unités: (i) le motif nucléotidique de reconnaissance du NADPH a été retenu, permettant au composé NS un ciblage approprié du site de liaison au NADPH de la NOS, (ii) le motif nicotinamide de NADPH a été remplacé par un groupe stilbène lié à un groupement terminal accepteur d'électrons. De plus, ce fragment est caractérisé par une très bonne section efficace d'absorption à deux photons (130 GM à 840 nm). NS1, le composé prototype de la famille NS, contient un groupe terminal NO2 en tant que groupe accepteur d'électrons. La valeur de Kd (~ 4,2 µM) a été estimée dans des expériences de titrage sous excitation un- ou deux-photons, et suggère une bonne affinité de liaison de NS1 à la NOS. De façon inattendue, NS1 présente une bonne sélectivité, en terme de rendement quantique de fluorescence, pour les isoformes de NOS par rapport à d'autres protéines qui contiennent ou non un site de liaison NADPH. En outre, il a été montré que NS1 inhibait de façon compétitive NOS par rapport au NADPH. Dans les expériences d'imagerie de fluorescence réalisées sur des cellules endothéliales (HUVEC), NS1 a démontré une internalisation rapide et efficace, avec un signal de fluorescence mis en évidence principalement dans la région périnucléaire, accompagné d'un signal plus sporadique à la membrane plasmique. Cette observation est en parfait accord avec la colocalisation de NS1 et eNOS mesurée par immunomarquage, démontrant ainsi que NS1 cible eNOS dans les cellules endothéliales. La vasoconstriction NO-dépendante attendue dans les anneaux aortiques isolés de souris a été montrée, mais uniquement en présence de catalase qui convertit H2O2 en H2O et O2. En revanche, en l'absence de catalase, la vasorelaxation a plutôt été observée. Ce résultat indique que la NOS n'est très certainement pas l'unique cible de NS1 dans le système endothélial, et que d'autres cibles en rapport avec la modulation de ROS (Reactive Oxygen Species) sont impliquées. En accord avec ce résultat, NS1 provoque une réponse biphasique de la production de ROS dans les cellules HUVEC : Une phase d'augmentation est observée aux faibles concentrations de NS1 (en dessous de 2 µM), suivie d'une diminution (inhibition de ROS) pour des concentrations de NS1 plus élevées. En outre, NS1 inhibe la production de O2- dans les macrophages de souris et les productions de H2O2 et de O2- survenant dans des conditions de découplage de nNOS in vitro. Des explications possibles pour interpréter ces données sont: NS1 probablement inhibe la production de ROS, soit produites au niveau de la NADPH oxydase ou (et) au cours du découplage de la NOS. L'origine de la phase d'augmentation reste plus difficile à interpréter, mais pourrait correspondre au ciblage de la glucose-6-phosphate deshydrogénase. Enfin, NS1 exerce un effet anti -angiogénique sur les cellules endothéliales et empêche la prolifération de cellules du mélanome. En conclusion, NS1 rempli l'objectif principal de cibler et inhiber la NOS en ciblant plus particulièrement le domaine réductase - il est aussi caractérisé par des propriétés d'absorption et de fluorescence à deux photons intéressantes permettant des applications in vitro et in vivo. L'ensemble de ces caractéristiques présentent un profil intéressant pour de futures applications d'imagerie en temps réel et non-invasive, avec également un fort potentiel pour des applications cliniques liées aux maladies NO-dépendantes.

Les biotechnologies sont arrivées au point ou la quantité d'information disponible permet de penser les objets biologiques comme des systèmes complexes. Dans ce contexte, les phénomènes qui émergent de ces systèmes sont intimement liés aux spécificités de leur organisation. Cela pose des problèmes computationnels et statistiques qui sont précisément l'objet d'étude de la communauté liée à l'apprentissage statistique. Cette thèse traite d'applications de méthodes d'apprentissage pour l'étude de phénomène biologique dans une perspective de système complexe. Ces méthodes sont appliquées dans le cadre de l'analyse d'interactions protéine-ligand et d'effets secondaires, du phenotypage de populations de cellules et du plan d'expérience pour des systèmes dynamiques non linéaires partiellement observés.D'importantes quantités de données sont désormais disponibles concernant les molécules mises sur le marché, tels que les profils d'interactions protéiques et d'effets secondaires. Cela pose le problème d'intégrer ces données et de trouver une forme de structure sous tendant ces observations à grandes échelles. Nous appliquons des méthodes récentes d'apprentissage non supervisé à l'analyse d'importants jeux de données sur des médicaments. Des exemples illustrent la pertinence de l'information extraite qui est ensuite validée dans un contexte de prédiction.Les variations de réponses à un traitement entre différents individus posent le problème de définir l'effet d'un stimulus à l'échelle d'une population d'individus. Par exemple, dans le contexte de la microscopie à haut débit, une population de cellules est exposée à différents stimuli. Les variations d'une cellule à l'autre rendent la comparaison de différents traitement non triviale. Un modèle génératif est proposé pour attaquer ce problème et ses propriétés sont étudiées sur la base de données expérimentales.A l'échelle moléculaire, des comportements complexes émergent de cascades d'interactions non linéaires entre différentes espèces moléculaires. Ces non linéarités engendrent des problèmes d'identifiabilité du système. Elles peuvent cependant être contournées par des plans expérimentaux spécifiques, un des champs de recherche de la biologie des systèmes. Une stratégie Bayésienne itérative de plan expérimental est proposée est des résultats numériques basés sur des simulations in silico d'un réseau biologique sont présentées.

Dans ce mémoire sont abordées quelques études sur la dynamique hors-équilibre des surfaces cristallines. L'accent est porté sur le démouillage de films minces monocristallins et sur les instabilités morphologiques induites par électromigration. Sur le plan instrumental, la Microscopie à Electrons Lents et la Diffusion Centrale des Rayons X en Incidence Rasante nous ont permis d'accéder à la dynamique des phénomènes in situ et en temps réel. Nous montrons que le démouillage à l'état solide des films minces de Silicium et de Germanium sur Silice conduit à des instabilités dendritiques du front de démouillage pilotées par le gain d'énergie de surface/interface et cinétiquement contrôlées par la diffusion de surface des adatomes. Le rôle central du facettage sur les instabilités morphologiques du front de démouillage est étudié en détails, en particulier certaines orientations cristallines limitent la vitesse de recul du front de démouillage et favorisent le développement de fronts droits stables. Les instabilités morphologiques induites par électromigration sur les faces vicinales de Silicium sont un moyen d'étudier les interactions élastiques entre marches atomiques. Nous montrons que ces interactions favorisent le développement successif d'une onde de densité de marches puis d'un facettage périodique de la surface aux temps longs. Enfin est abordée l'étude de la croissance auto-organisée de nanostructures de Pd sur une surface oxydée de Ni3Al et nous terminons par quelques perspectives concernant l'étude de la dynamique de la ligne triple solide-solide-vapeur ainsi que sur la technique de Microscopie à Electrons Lents.

Le collagène est une protéine ubiquitaire qui joue un rôle central dans l'architecture et la tenue mécanique des tissus conjonctifs et est impliqué dans de nombreuses pathologies. Synthétisé sous forme de triples hélices, le collagène s'auto-assemble en fibrilles in vivo et in vitro pour former des réseaux tridimensionnels. La microscopie multiphoton basée sur la génération de seconde harmonique (SHG) est une technique très spécifique, permettant de visualiser, sans marquage, le collagène en profondeur dans des tissus, avec une résolution sub-micrométrique. Ce travail de thèse vise à développer des approches quantitatives en imagerie SHG du collagène, tant à l'échelle fibrillaire que tissulaire. Nous avons montré que la microscopie SHG permet de sonder la dynamique de formation du réseau collagénique jusqu'à l'échelle d'une fibrille unique. En outre, nous avons caractérisé la structuration de gels collagéniques contrôlée par ajout de nanoparticules de silice fonctionnalisées. Nous avons ensuite réalisé de l'imagerie corrélative électronique/SHG sur ces gels pour mesurer la sensibilité de notre microscope et calibrer la réponse d'une fibrille en fonction de son diamètre. De plus, nous avons pu évaluer l'hyperpolarisabilité d'une molécule et valider le modèle additif utilisé pour calculer la réponse d'une fibrille. Enfin, nous avons développé une analyse d'images spécifique permettant de quantifier l'organisation d'un tissu collagénique à l'échelle fibrillaire, dans le but d'explorer la relation fonction/structure d'un tissu. Ceci a été validé en étudiant la modification des propriétés biomécaniques de souris génétiquement modifiées modèle du syndrome d'Ehlers-Danlos.

Dans cette étude, nous avons isolé et cultivé des bactéries intimement liées aux spores du champignon mycorhizien Glomus irregulare prélevées dans la rhizosphère de plants d’Agrostis stolonifera L. récoltés dans un sol naturel. Le séquençage des 29 morphotypes isolés a révélé la présence de seulement sept taxons bactériens (Variovorax paradoxus, Microbacterium ginsengiosoli, Sphingomonas sp., Bacillus megaterium, B. simplex, B. cereus et Kocuria rhizophila). Des isolats de chacun de ces sept taxons ont ensuite été cultivés in vitro sur le mycélium de G. irregulare afin d’observer par microscopie leur capacité à croitre et à s’attacher au mycélium en absence d’éléments nutritifs autres que ceux fournis par le champignon. Tous les isolats, sauf B. cereus, ont été capables de bien croitre dans le système expérimental et de s’attacher au mycélium en formant des structures ressemblant à des biofilms sur la surface du champignon. Toutefois, B. simplex formait ces structures plus rapidement, soit en 15 jours, alors que les autres isolats les ont formés après 30 jours (K. rhizophila et B. megaterium) ou 45 jours (V. paradoxus, M. ginsengiosoli et Sphingomonas sp.). D’autre part, la technique PCR-DGGE a permis d’analyser la diversité bactérienne associée aux spores. La diversité des taxons associés aux spores de G. irregulare qu’il a été possible d’isoler et de cultiver in vitro a été nettement moindre que celle qui était présente sur la surface des spores, alors que la biodiversité bactérienne totale du sol a été encore beaucoup plus élevée. Les bactéries associées aux champignons mycorhiziens jouent probablement un rôle important dans la capacité des plantes à résister aux stress biotiques et abiotiques auxquels elles sont soumises. / In this study, we isolated and cultivated bacterial cells intimately associated with Glomus irregulare spores in a natural soil Agrostis stolonifera rhizosphere. Sequencing of the 29 morphotypes isolated revealed the presence of only seven bacterial taxa (Variovorax paradoxus, Microbacterium ginsengiosoli, Sphingomonas sp., Bacillus megaterium, B. simplex, B. cereus and Kocuria rhizophila). These seven isolates were cultivated in vitro on the mycelium of G. irregulare to allow microscopic observation of growth and attachment to the mycelium in absence of nutritive sources other than those derived from the fungal mycelium. All isolates but B. cereus were able to grow on the experimental system and to attach to the mycelium to form biofilm-like structures on their surface. However, B. simplex formed these structures more quickly, in 15 days, than the remaining isolates that have formed them only after 30 days (K. rhizophila and B. megaterium) or 45 days (V. paradoxus, M. ginsengiosoli and Sphingomonas sp.). In addition, PCR-DGGE was used to compare bacterial diversity. The bacterial biodiversity associated with spores of G. irregulare that were isolated and cultured in vitro was significantly lower than that present on the spore surface, while total soil bacterial diversity was much higher. The bacteria associated with mycorrhizal fungi probably have an important role in the ability of plants to withstand biotic and abiotic stresses to which they are submitted.